海洋觀測網(wǎng)絡(luò)化智能接口標(biāo)準(zhǔn)的研究

摘要：網(wǎng)絡(luò)化智能接口標(biāo)準(zhǔn)對于海洋觀測系統(tǒng)的集成、海洋信息的實時獲取和共享等具有非常重要的作用。介紹了IEEE 1451、OGC SWE和PUCK協(xié)議等三種國際海洋組織正在推廣的接口標(biāo)準(zhǔn)，概括了它們的體系結(jié)構(gòu)、重要內(nèi)容及其發(fā)展?fàn)顩r，并對這三種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進行分析和比較，最后提出了它們應(yīng)用在海洋觀測系統(tǒng)中的各自優(yōu)勢和側(cè)重點，以及這三種標(biāo)準(zhǔn)存在的問題。
關(guān)鍵詞：海洋觀測系統(tǒng)；互操作性；IEEE 1451；OGC SWE；PUCK協(xié)議

海洋觀測技術(shù)作為認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋的高技術(shù)手段，是建設(shè)海洋強國、捍衛(wèi)國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的偉大目標(biāo)所必不可少的。在海洋觀測領(lǐng)域，為了滿足目前海洋研究、開發(fā)和利用對于空間性和實時性的強烈需求，構(gòu)建能夠綜合、協(xié)調(diào)、實時、持續(xù)地獲取各種海洋物理參數(shù)的海洋觀測系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢。
為了實現(xiàn)海洋環(huán)境信息的大規(guī)模、實時地獲取與控制，海洋觀測系統(tǒng)需要對底層儀器(包括傳感器或執(zhí)行器)組網(wǎng)進行各種參數(shù)的獲取。
網(wǎng)絡(luò)化的觀測方式，更注重系統(tǒng)性和整體性，通過性能可靠和實時連接的所有觀測平臺、探測設(shè)備、傳感器協(xié)同觀測，實現(xiàn)海洋環(huán)境信息共享與交互。但是目前儀器的軟件協(xié)議和數(shù)據(jù)格式大多是非標(biāo)準(zhǔn)的而且并不統(tǒng)一，這就給系統(tǒng)構(gòu)建、擴展、更新和維護等帶來很多不便。一方面，對于海洋觀測系統(tǒng)的組建來說，各種協(xié)議的不兼容直接導(dǎo)致現(xiàn)場布線復(fù)雜，容易導(dǎo)致混亂并出錯，大大增加了工程任務(wù)量；另一方面，對于系統(tǒng)的維護來說，更換系統(tǒng)中的海洋儀器時，幾乎都需要技術(shù)人員進行手動安裝和配置，而海上工作環(huán)境比較惡劣，這就增加了人為出錯的可能性。
國際上的一些研究機構(gòu)在上個世紀(jì)九十年代就開始研究解決這些問題。這些機構(gòu)致力于發(fā)展能夠應(yīng)用于海洋觀測系統(tǒng)中的底層儀器接口和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過實現(xiàn)海洋儀器的互操作性，以最小的人力和高可靠性進行系統(tǒng)的構(gòu)建和維護。

1 IEEE 1451
美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)和IEEE儀器與測量協(xié)會傳感技術(shù)委員會聯(lián)合從1997年開始推出IEEE 1451系列智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)(Stan dard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators)，很好地解決了不同廠商之間傳感器的互換性和互操作性問題，便于系統(tǒng)的構(gòu)建與維護，因此成為當(dāng)前信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化海洋觀測領(lǐng)域研究熱點之一。
制定IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的目的是開發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò)或者用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括各種現(xiàn)場總線及Internet／Intranet。此標(biāo)準(zhǔn)通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場采用有線或無線的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡化由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，做到變送器的“即插即用”，并能夠最終實現(xiàn)各個廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性。
目前國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO和IEC已經(jīng)接受了IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)，將其納入了ISO／IEC／IEEE 2145X標(biāo)準(zhǔn)體系。
1．1 IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模型
IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)化智能接口主要分為兩個功能模塊，如圖1所示。

一個模塊是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器(Network Capable Applicationprocessor：NCAP)，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、STIM通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。NC AP是標(biāo)準(zhǔn)傳感器總線與專用網(wǎng)絡(luò)總線之間的接口，提供網(wǎng)絡(luò)連接或者網(wǎng)關(guān)的功能。這一部分與微處理器集成到一起，在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中起控制的作用；
另一個模塊是智能變送器模塊(Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM)，它包括傳感器或執(zhí)行器、信號調(diào)理器、AD或DA轉(zhuǎn)換器、物理接口以及一系列變送器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)。該模塊能夠支持單個或多個通道。它既可與傳感器相連也可與執(zhí)行器相連接。每一個STIM最多可與255個變送器通道相連接。每一個通道實際上就是STIM上的一個變送器單元。
NCAP與網(wǎng)絡(luò)連接有3種方式：1)IEEE 1451．0超文本傳送協(xié)議(HTTP)；2)IEEE 1451．1標(biāo)準(zhǔn)；3)智能變送器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(STWS)。NCAP與TIM之間的接口被定義為IEEE1451．X物理接口規(guī)范，根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的子標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范。
1．2 IEEE 1451協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的制定與修改，目前形成了8個子標(biāo)準(zhǔn)，分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。
軟件部分主要由IEEE 1451．0和IEEE 1451．1組成，通過面向?qū)ο竽Ｐ偷母拍蠲枋隽司W(wǎng)絡(luò)化智能變送器的行為，定義了適應(yīng)于接入不同測控網(wǎng)絡(luò)的智能變送器軟件接口規(guī)范；同時定義了一個通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格，可以加強IEEE 1451族系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。
硬件部分由IEEE 1451．2～IEEE 1451．7組成，主要針對智能變送器不同的應(yīng)用背景與目的，包括點對點(RS-232、UART、SPI等)、多點分布式、混合模式、無線(WiFi，Bluetooth，ZigBee等)、CANopen和RFID通信。